CAD(计算机辅助设计技术)第12章：相关新技术介绍

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1、第12章相关新技术介绍12.1科学计算可视化12.2三维复杂模型实时动态显示方法12.2.1基于几何模型的绘制方法12.2.2基于图像的绘制方法12.1科学计算可视化科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing，简称ViSC）从20世纪80年代后期诞生以来，一直是计算机科学的一个研究热点。科学计算可视化是由计算机图形学、图像处理、计算机辅助几何设计、计算机视觉、信号处理和用户界面等共同支持的交叉学科，主要研究空间数据场的可视化，其研究内容丰富，应用领域广泛。科学计算可视化是用交互式

2、计算机图形学和图像处理技术，将科学计算数据、工程实验数据和影像扫描数据等数据场中蕴涵的信息转换成图形图像显示在屏幕上、并对其进行交互处理的理论、方法和技术。十多年的快速发展:1987年，正式确认“科学计算可视化”(VisualizationinScientificComputing，简称为ScientificVisualization)。已成为计算机科学的一个重要的新分支，国际学术会议讨论的热点问题之一。美国IEEE每年举行一次可视化的学术会议。IEEE增加一种新会刊《IEEETransactiononVisua

3、lizationandComputerGraphics》。可视化应用软件逐渐走向实用化和商品化。可视化技术的意义和价值：科学计算可视化为科学家之间及科学家与数据之间提供了以图形、图像和动画等视觉信息交流的手段，提高了人们处理海量数据的能力，使许多抽象的、难以理解的原理和规律变得容易理解；使枯燥的数据变得生动有趣；使科学家不仅能分析计算的结果，同时能交互地控制计算的过程；为人们提供了观察数据场中不可见信息的方法，增强了人们的洞察力。可视化技术的应用领域：已在计算流体力学、医学、地质学、气象学、分子结构学、物理学、考古学、

4、材料科学、数学、金融、环保与农业、信息传播和工业检测等领域获得了广泛的应用。近几年，科学计算可视化与虚拟现实相结合，进一步拓广了应用领域。以下图片来自“清华大学计算机系图形学与可视化实验室”。地质构造：树獭CT图像的三维重构:由二维轮廓线重构三维形体:建筑设计/房地产显示:三维牙颌模型的重构:12.2三维复杂模型实时动态显示方法目前大多数虚拟现实系统的主要部分是构造一个虚拟环境并从不同的视点按不同的方向进行漫游，以获得身临其境的感受。要达到这个目标，一是构造虚拟环境，二是模拟虚拟摄像机在环境中以6个自由度运动，并得到相应

5、的图像画面，相当于人在环境中可以自由地行走、飞行。如果要达到身临其境的效果，一是要图形的真实感很强，二是要图形刷新显示的速度快，以使得由于刷新引起的闪烁达到人眼不能察觉的水平，也就是说至少要大于10帧/秒。当模型比较简单时，图形的显示速度可以达到交互实时，当模型的复杂程度超过了机器硬件的能力时，图形的显示开始出现间隔和跳动。一般来说，所谓复杂模型，并没有绝对的概念，称之为复杂，是与机器的性能相联系的。当一个模型在某种性能的机器上的显示速度不能达到实时的要求（即刷新频率至少为10帧/秒）时，我们便称这个模型相对于这种机器是

6、复杂模型。具体措施:采用软件的方法或软硬件相结合的方法在相应的机器上实现该模型的实时动态显示。这里主要介绍软件处理方法。三维复杂模型的实时动态显示方法可以归为两类：基于几何模型的实时动态显示和基于图像的实时动态显示。12.2.1基于几何模型的绘制方法多年来，我们的研究对象一直是几何模型。我们通常用三维几何实体模型来表示虚拟环境，然后通过投影变换、裁剪、消隐、明暗计算来实现绘制。用户输入纹理信息和测量数据建模几何模型（几何信息、反射率和光源）绘制图像基于几何模型的实时动态显示所采用的方法有三种:一是降低模型的几何复杂度。主

7、要包括纹理映射和多分辨率表示两种方法。二是进行可见性测试。由于视线的方向性，视角的局限性以及物体之间的相互遮挡，人眼所看到的往往只是整个场景中的一部分。因此有效地利用物体空间、图像空间以及时间上的相关性来进行可见性的计算，是加快绘制速度的关键。三是预处理。预处理的方法是将与视点无关的计算放在预处理阶段，或是说将能预先计算好的部分尽量都放在预处理阶段，这是实时显示方法所共同具有的策略，用存储空间来换取时间。大规模地表模型多分辨率漫游演示系统清华大学计算机系可视化技术与图形学实验室原始网格模型与简化网格模型对比原始网格数据量

8、大，绘制速度很慢相应地简化网格，绘制速度较快漫游时绘制带纹理图像的对比结果，左图为原始网格模型，右图为简化网格模型原始数据规模为513×513的地表简化网格模型原始三角形数量为524288简化后三角形数量6596约为全分辨率网格模型的1.26%(b)相对于视点a移动后生成的另一简化网格，三角形数量7685右图为两帧图